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西华大学硕士学位论文 器s s r 开通时间长短,以达到调节温度标定仪内加热器功率的目的,其特点 是控制精度高,自动化程度高,但p 、i 、d 的参数不能被任意修改。通过采 用p i d 控制,可使温度控制精度在2 0 1 5 0 。c 范围内达到0 y c ,并可以 实现温度设定值的连续可调。 温度标定仪的加热部分由加热炉提供热源,根据a r m 7 l p c 2 1 0 4 微控制器 控制固态继电器s s r 的通断从而改变加热炉功率以到达调节温度标定仪温度 腔内气体温度的目的。 温度显示部分就是将接收到的温度数据进行程序处理后通过l c d 液晶显 示器对设定温度值、时实温度值进行显示。 基于嵌入式系统温度标定仪的设计与研究具有如下特点: ( 1 ) 自动化程度高。 ( 2 ) 硬件技术先进,设计合理。 ( 3 ) 系统采用模块化结构,维护、更换方便。 ( 4 ) 标准化程度高。 ( 5 ) 有较高的控制精度。 关键词:a r m ;温度采集;温度控制;p i d 西华大学硕士学位论文 t h e d e s i g na n dr e s e a r c ho ft e m p e r a t u r er e g u l a t o r b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m e l e c t r o e l e c t r i cp o w e ra n dp o w e rt r a n s m i s s i o n m a s t e r :d o n g h u it u t o r :y a n gj i n g c h a n g t e m p e r a t u r ei st h ep h y s i c a lq u a n t i t yw h i c hm e a s u r e st h ee x t e n to fo b j e c t s h o t a n dc o l d i ti so n eo ft h es e v e nf u n d a m e n t a lp h y s i c a lq u a n t i t i e so ft h ei n t e r n a t i o n a l s y s t e mo fu n i t s ( s i ) ,a n di sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro fi n d u s t r i a lq u a l i t ya n d i n d u s t r i a lp r o c e s s a l m o s ts c i e n t i f i ca l lo fr e s e a r c h e sa n dp r o d u c t i o np r o c e s sa r e c l o s e l yr e l a t e dt oi t t e m p e r a t u r em e a s u r ea n d c o n t r o lt e c h n o l o g yi saq u i t e i m p o r t a n ti n d u s t r yt e c h n o l o g ya n dr e s e a r c h i n gp r o g r a mw h i c hi sa p p l i e dn o to n l y t oh i g h t e c hf i e l ds u c ha sc h e m i c a li n d u s t r y 、m e d i c a lt r e a t m e n t 、a v i g a t i o n ,b u ta l s o t o p e o p l e sd a i l yl i f e s o ,a c c u r a t em e a s u r i n ga n d e f f e c t i v e c o n t r o l l i n g o f t e m p e r a t u r ei s t h ep r i m a r yc o n d i t i o nf o rh i g hq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t y ,l o w e n e r g yc o n s u m p t i o na n ds a f e t yi np r o d u c t i o n 。a c c o r d i n g l y ,t h ep u r p o s eo fd e s i g n a n dr e s e a r c ho ft e m p e r a t u r er e g u l a t o rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi st od e t e c t w h e t h e rt h ea c c u r a c yo ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rr e a c h e st h ep e o p l e se x p e c t e d e f f e c t t h e t e m p e r a t u r er e g u l a t o r w h i c hi s c o m p o s e d o ft e m p e r a t u r em e a s u r e , t e m p e r a t u r ec o n t r o l ,t e m p e r a t u r er e g u l a t i o n ,h e a t e ra n dt e m p e r a t u r ed i s p l a y i s t e m p e r a t u r em e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm c ua r m 7 l p c 2 10 4 t h e t e m p e r a t u r em e a s u r e a n dc o n t r o li st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l es y s t e m p t10 0t e m p e r a t u r et h e r m a lr e s i s t a n c ew i t hag r a d ep r e c i s i o ni sc h o s e na st h e s e n s o ro f t e m p e r a t u r em e a s u r i n gs e c t o r i m p r o v e dt h r e e l i n em e a s u r i n gc i r c u i t r yi s a l s oa d o p t e d t h i ss e c t o rp u t sd e t e c t e dt e m p e r a t u r es i g n a l si n t ov o l t a g es i g n a l s b y 3 西华大学硕十学位论文 u s i n gv o l t a g ea m p l i f i e r ,i ta m p l i f i e st h o s ew e a ks i g n a l sa n dt h u st r a n s m i t st h e mt o t h em a i nc o n t r o l l i n gp a r t t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lp a r ta d o p t sm c ua r m 7 l p c 210 4p i dc o n t r o lw h i c h b e l o n g st od i g i t a lp i d c o n t r 0 1 t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fm c ua r m 7 l p c 210 4p i d c o n t r o li sr o u g h l ys i m i l a rt os i m u l a n tp i dc o n t r o l ,b u tt h e yr e a l i z ei nt h ed i f f e r e n t w a y s i nt h ed i g i t a lp i dc o n t r o ls y s t e mo fm c ua r m 7 l p c 2 10 4 ,f o rt h es a k eo f a c h i e v i n gt h ee r r o ro ft r a n s m i t t i n gt ot h em c ua r m 7 l p c 2 10 4 ,t h em e a s u r i n g v a l u et r a n s m i t t e df r o mt e m p e r a t u r em e a s u r ep a r ti st r a n s l a t e dd i g i t a ls i g n a l sa f t e r a d ca n dc o m p a r e dw i t ht h ev a l u es e t b a s e do nm c ua r m 7 l p c 210 4 、s c a l c u l a t i o np r o c e d u r e s ,t h er e s u l ta d j u s tt h ew i d t ho fm c ua r m 7 l p c 2 1 0 4 s e x p o r to fp w ms i g n a l s t h ew i d t ho fp w m c o n t r o l st h et i m er a n g eo f “o f f o r o n s t a t eo fs o l i ds t a t er e l a ys ot h a ti tc o u l da d j u s tt h ep o w e ro fh e a t i n go f t e m p e r a t u r er e g u l a t o r t h ec h a r a c t e r i s t i c sh a v eh i g hc o n t r o la c c u r a c ya n dh i g h d e g r e eo fa u t o m a t i o n ,b u tt h ep a r a m e t e r so fp ,i a n ddc a nn o tb ea r b i t r a r i l y c h a n g e d u s i n gt h em c ua r m 7 l p c 2 10 4p i dc o n t r o l ,t h et e m p e r a t u r ec a nb e c o n t r o l l e dw i t h i nt h er a n g eo f2 0 15 0 w i t hap r e c i s i o no 仕0 5 a n d u n i n t e r r u p t e da d j u s t a b i l i t yo ft e m p e r a t u r es e t t i n gi sr e a l i z e d t h et e m p e r a t u r eh e a t e rp a r tm a k e su s eo fr e s i s t a n c ef u m a c et op r o v i d es o u r c eo f h e a t a c c o r d i n gt ot h es t a t eo f o p e n i n g o r c l o s i n g o fs o l i ds t a t er e l a yc o n t r o l l e d b ym c u a r m 7 l p c 210 4a l t e r st h ep o w e ro fh e a t e rs ot h a tt h et e m p e r a t u r er e a c h e s t h es e tt e m p e r a t u r eo fg a sc a v i t yi nt h et e m p e r a t u r er e g u l a t o r t e m p e r a t u r ed i s p l a ys e c t o r r e c e i v e sa n ds h o wt h et e m p e r a t u r ed a t as u c ha st h e v a l u es e ta n dt h ec o i n s t a n t a n e o u sv a l u et h a ti s d i s p o s e db y m c u a r m 7 l p c 210 4 sp r o c e d u r et h r o u g hl c ds c r e e n t h et e m p e r a t u r er e g u l a t o rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mh a ss e v e r a lt r a i t sa s f o l l o w s : ( 1 ) h i g hd e g r e eo fa u t o m a t i z a t i o n ( 2 ) a d v a n c e dh a r d w a r et e c h n o l o g ya n dd e s i g ni nr e a s o n ( 3 ) t h eb l o c k i n gf l a m ew a sa d o p t e db ys y s t e m 4 西华大学硕士学位论文 ( 4 ) h i 曲d e g r e eo fs t a n d a r d i z a t i o n ( 5 ) h i g hp r e c i s i o ni nt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g k e yw o r d s :a r m ;t e m p e r a t u r em e a s u r e ;t e m p e r a t u r ec o n t r o l ;p i d 5 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得西华大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作和学习的同志对本研究所作的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的,论 文成果归西华大学所有,特此声明。 作者签名:吾蓼矽噼f 月j 厂日 导师签名卿厂月彩日 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版,允许论文被查阅和借阅,西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口,在年解密后适用本授权书; 2 、不保密函,适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名:焉谚 日期:加产孓巧 指导教师签名: 日期:尹- 歹、 两华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 温度是度量物体冷热程度的物理量,是国际单位制中7 个基本物理量之 一,它是工质和过程的重要参数,温度控制技术是一种比较重要的工业技术 和研究课题,不仅应用在化工、医疗、航空等高科技领域里,而且人们的日 常生活也与其密切相关。因此准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、 低耗和安全生产的主要条件。与之对应的温度标定仪的研究与设计的目的就 是用于鉴定和检测测温仪表的准确度是否达到人为的预期效果。 1 2 温度标定仪的国内外现状及发展趋势 1 2 1 温度标定仪的国外现状及发展趋势 温度标定仪的设计最主要部分就是温度测控系统,因此分析与研究温度 测控系统成为本设计的主线。它的国外现状几发展趋势如下: 自7 0 年代以来,由于工业过程控制的需要,特别是在微电子技术和计算 机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下,国外温度测 控系统发展迅速,在智能化、自适应、参数自整定等方面已取得了丰硕的成 果【。在这方面,以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先,都生产出了一批 商品化的、性能优异的温度测控器及仪器仪表,并在各行业广泛应用【2 j ,它们 主要具有如下的特点: 1 ) 、适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 2 ) 、能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 3 ) 、能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 4 ) 、这些相应的温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊 控制、人工智能等理论及计算机技术,运用先进的算法,适应的范围广泛p j 。 5 ) 、普遍温控器具有参数自整定功能【4 】。借助计算机软件技术,它能够根 西华大学硕士学位论文 据历史经验及控制对象的变化情况,自动调整相关控制参数,以保证控制效 果优化。 6 ) 、这些温度测控系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。 目前,国外温度测控系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速 发展 1 2 2 温度标定仪的国内现状及发展趋势 温度标定仪在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛,但国内生产的温 度标定仪只从其温度测控器来讲,总体发展水平仍然不高,同日本、美国、 德国等先进国家相比,仍然有着较大的差距【5 】。目前,我国在这方面总体技术 水平处于2 0 世纪8 0 年代中后期水平,成熟产品主要以“点位”控制及常规 的p i d 控制器为主,它只能适应一般的温度系统控制,难于控制滞后、复杂、 时变的温度系统【6 】。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表,国内 技术还不十分成熟,形成商品化并广泛应用的控制仪表还比较少。 目前,我国在温度检测控制仪表的发展与国外的差距主要表现如下: 1 ) 、行业内企业规模小,且较为分散,造成技术力量不集中,导致研发 能力不强,制约了技术的发展。 2 ) 、商品化产品以常规p i d 控制器为主,智能化仪表少,这方面同国外 差距较大。目前,国内企业复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进 口温度控制仪表。 3 ) 、仪表控制在关键技术、相关算法及控制软件的研究方面较国外滞后。 例如在仪表控制参数的自整定方面,国外已有较多的成熟产品,但由于国外 技术保密以及我国开发工作的滞后,还没有开发出性能可靠的自整定软件, 控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定 7 1 。 这些差距,是我们必须努力克服的。随着我国经济的发展,我国政府及 企业对此都非常重视,对相关企业资源进行了重组,相继建立了一些国家、 企业的研发中心,并通过合资、技术合作等方式,组建了一批合资、合作及 独资企业,使我国温度等仪表工业得到迅速的发展。 西华大学硕士学位论文 1 3 本课题的主要研究内容 课题的主要研究对象是基于嵌入式系统温度标定仪,其主要的研究内容 为如下几个部分: 研究组成嵌入式温度测控系统的五个主要组成部分: 1 ) 温度检测部分;2 ) 温度控制部分;3 ) 温度调节部分; 4 ) 加热环境;5 ) 温度显示部分; 研究可控的热环境,分析并有效抑制各种干扰; 研究a r m 7 l p c 210 4 嵌入式微控制器的原理及应用; 研究温度调节控制模块的相应算法: 1 4 温度标定仪的方案论证 温度标定仪是用于鉴定和检测测温仪表的准确度是否达到人为预期效果 的检测仪器,因此对仪器内气体温度的检测和控制是温度标定仪设计的核心。 而对温度的检测和控制有许多设计方案,归根结底可分为模拟和数字两大部 分。模拟部分中对温度的检测需涉及到传感器的选择、检测电路的设计以及 弱信号放大电路的设计,每步设计都要考虑误差和精度问题。由于温度标定 仪的测温范围较小( 2 0 - 1 5 0 ) ,故在低温小范围内选择灵敏度较高的铂热 电阻p t l 0 0 作为温度传感器,并结合改进型的三线制热电阻惠斯登电桥接法, 检测出在不同温度下与铂热电阻p t l 0 0 阻值成线性变化的电压差值。这电压 差值经放大电路放大后传给a d 转换器做下一步处理。放大电路则采用高精度, 高稳定性,高线形度的仪用放大器,其运放芯片的选择必须遵循超低失调和 超低漂移、高增益、高输入阻抗的特点,才能到达系统对信号的放大要求。 在温度标定仪数字部分的设计方案中最重要的是微处理器选型,根据系 西华大学硕士学位论文 统的要求,微处理器必须有较大的存储空间、高速数据处理能力、低功耗、 小尺寸等特点,针对市场上主要的微处理器芯片,本设计选择了菲利普公司 生产的基于a r m 7 内核的l p c 2 1 0 4 微处理器,其性能特点在稍后的章节中介绍。 而在数字部分模数转换电路的设计中,a d 转换芯片选择了美信公司生产的1 6 位并行逐次逼近a d 转换器m a x l1 6 5 ,其高性能、低功耗、小尺寸、接线简单 等特点很好的满足了系统对a d 转换芯片的要求。 传统的数字p i d 控制器经过积分项的改进用于温度标定仪对温度的控制, 较理想的解决了温度的大惯性,纯滞后带来的控制误差,使系统的温度控制 输出值恒定在设定值。 综上:采用上述温度标定仪的设计方案基本达到了设计要求,无论从理 论计算还是从实际电路的检测与控制中,都较好的满足了系统的性能指标。 由此在以下章节逐一对温度标定仪的设计做详细的介绍。 两华大学硕士学位论文 第二章温度标定仪的温度控制理论 温度是典型的迟滞性物理量,在与温度相关的科研和生产过程中,温度 控制是比较重要的工业技术和研究课题。对于本设计的温度控制其稳定性和 精确度是衡量温度标定仪性能好坏的重要技术指标,因此对温度控制算法的 研究将是本章重要和难点,因此掌握并应用相关的温度控制算法,有利于提 高系统的稳定性和可靠性。 2 1 温度控制的理论分析 长期以来,人们对温度控制器进行了广泛而深入的研究,在温度控制理 论的指导下研制了大批温度控制器,如性能成熟、应用广泛的p i d 调节器、 智能控制p i d 调节器、自适应控制等,这些控制器能很好的控制和调节人们 所需温度,因此下面简要介绍温度控制系统按基本结构形式分为的两大类。 2 1 1 温度控制系统的开环控制系统 温度开环控制系统是指控制器与被控过程之间只有顺向控制而没有反向 联系的控制系统,即操作变量可以通过被控过程去影响被控变量,但被控变 量不会通过控制装置去影响操纵变量。从信号传递关系上看,未构成闭合回 路。 温度开环控制系统分为两种形式:按设定值进行控制和按扰动进行控制。 1 、按设定值进行控制 如图2 一l 所示,是按设定值控制的开环控制系统方框图; 西华大学硕士学位论文 f i g 2 1d i a g r a mo fs y s t e mo fo p e n i n gb a s e do l lt e m p e r a t u r es e tv a l u ec o n t r o l 图2 - 1 按温度设定值控制的开环控制系统框图 该系统结构简单,存在较大的缺陷。当被控过程受到扰动或工作过程中 特性参数发生的变化波及被控变量时,系统不能自动检测被控变量的变化情 况,无法自动补偿。因此,系统的控制精度难以保证。但是,如果系统的结 构参数稳定,扰动作用很小,那么该温度控制系统能应用某些场合。 2 、按扰动进行控制 这种控制方式需要控制的也是被控变量,而被检测的却是破坏系统正常 工作的扰动量。利用扰动信号产生控制作用,以补偿扰动对被控变量的影响, 故称为按扰动进行控制。按扰动进行控制的系统方框图如图2 2 所示: f i g 2 - 2d i a g r a mo fs y s t e mo fo p e n i n gb a s e do nt e m p e r a t u r ed i s t u r b i n gc o n t r o l 图2 - 2 按扰动控制的开环控制系统框图 由于检测量是扰动量,这种控制方式只能对可测的扰动进行补偿。对于 不可测的扰动量及过程和各功能部件内部参数的变化对被控变量造成的影 响,系统自身将无法控制,因此控制精度仍然受到原理上的限制。 两华大学硕士学位论文 2 1 2 温度控制系统的闭环控制系统 温度闭环控制系统是指控制器与被控过程之间既有顺向控制又有反相联 系的控制系统【8 1 ,如图2 3 所示: 摊制 | 扰动缝 避,骂百掣,丽f 竺型,亩哗 一 一 l 一7 测鲮受缝卜_ 一 f i g 2 3d i a g r a mo fs y s t e mo fc l o s i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o l 图2 - 3 时滞温度闭环控制系统框图 系统的输出( 被控变量) 通过测量变量环节又返回到系统的输入端与温 度设定值进行比较,并以偏差的形式进入控制器,对系统起控制作用,整个 系统构成了封闭的闭合回路。这样的温度控制系统称为温度闭环控制系统, 也称为温度反馈控制系统。因此,凡是系统的输出端与输入端之间存在反馈 支路,使得输出变量对控制作用有直接影响的系统即是闭环控制系统。 温度闭环控制系统的优点是,无论任何扰动引起被控变量偏离设定值, 都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。因此,温度闭环控制系 统有较高的控制精度和较好的适应能力,其应用范围非常广泛。但温度闭环 控制系统也有其缺点,由于温度闭环控制系统的调节作用只有在偏差出现后 才产生,因此当系统的惯性滞后和纯滞后较大时,控制作用对扰动的克服作 用不及时,从而使其控制质量大大降低。 温度闭环控制系统分为如下三种形式: 1 、定值控制系统 如图2 4 所示:温度设定值r 不变,要求被控量保持恒定或在限定的小 范围内保持不变的系统称为定值控制系统。这是一种应用最多、最广,也是 构成方案较多的温度闭环控制系统。针对一个被控对象,采用一个控制器、 一个执行机构、一个控制机构和一个检测元件与一个变送器构成的控制系统 称为单回路控制系统,也称为简单控制系统,只要y r ,控制器就要动作, 两华大学硕士学位论文 直到使y = r 为止。如果影响被控量变化的因素较多,或者被控对象的惯性与 滞后较大,采用单回路控制系统就不能满足要求,必须采用复杂的控制系统。 f i g 2 - 4d i a g r a mo fs y s t e mb a s e do nc l o s i n gt e m p e r a t u r es e tv a l u ec o n t r o l 图2 - 4 定值温度闭环控制系统框图 2 、程序控制系统 测定值按工艺过程的需要而改变,如热处理温度标定仪内气体的升温、 保温及降温曲线,要求仪器内气体温度的控制随设定值的变化程序符合该曲 线的要求。在控制系统中,它是用程序设定装置来设置的,控制器就按规定 的程序自动运行下去。程序控制系统可以看成是随动控制系统的特殊情况, 其分析研究方法与随动控制系统相同。 3 、随动控制系统 设定值是一个未知变化量的闭环控制系统称为随动控制系统。这类控制 系统的任务是保证在各种条件下系统的输出( 被控变量) 以一定的精度随设 定值的变化而变化。这是一种按被控量与设定值的偏差进行调节的系统,只 要被控量能既快又稳的跟随设定值,就达到了自动控制的要求。 2 1 3 温度自动控制规律 l 、位式控制 位式控制器是最古老而简单的一种控制器,经过不断改进,至今仍广泛 应用 9 1 。它的结构简单、成本低、维修方便,因此至今仍为人们所欢迎。 西华大学硕士学位论文 -二严 i _ - _ l y o ) 一 )() - 一i 嗯嗡辅: 盛度腔: f 、掣: i p y t t ) l 。嚣舜聂驵2 。臣刍室型 ,粤: : 。 hh h o ( b ) t y c t ) a 双位式控制器的控制规律很简单,热处理温度标定仪内气体温度的双位 式控制器如图2 - 5 所示:当被控量温度值y ( t ) 低于设定值温度r 时,开关s 接 通电源,仪器内气体温度上升;当被控量温度值等于设定值温度时,开关s 切断电源,仪器内气体温度下降,如此周而复始,保持仪器内气体温度在规 定范围内波动。双位控制规律为: y ( t ) 互 写 五 写 时,采用p d 控制;( 2 - 1 1 ) 当i p ( 尼) l 时,采用p i d 控制;+(2-12) 积分分离的阀值应根据对象及控制要求决定。若值过大,则达不到积分 分离的目的;若值过小,则一旦被控制量y ( f ) 无法跳出各积分分离区,只进 行p d 控制,将会出现残差;积分分离p i d 控制如图2 - 1 2 所示的曲线 f i g 2 - 12p i dc o n t r o lo fs e p a r a t ei n t e g r a l 图2 - 1 2 积分分离p i d 控制 为了实现积分分离,编写程序时必须从数字p i d 差分方程式中分离出积分项, 进行特殊处理。由式( 2 一1 1 ) 、( 2 1 2 ) 得出积分分离p i d 算法式如下: n = 1 妻旧尼) l 曼 ( 2 _ 1 3 ) 1 0 当ie ( k ) i 因此式子a u ( 露) = k p k ( 尼) 一p ( 七一1 ) 】+ k ,p ( 七) + k dk ( 尼) 一2 e ( k 1 ) + p ( 尼一2 ) 】可 以改成: 西华大学硕士学位论文 “( 七) = k p k ( 七) 一e ( k 一1 ) + n k ,p ( 尼) + k dk ( 七) 一2 e ( k 一1 ) + p ( 七一2 ) 】 ( 2 - 1 4 ) 从图2 - 1 2 中可以看出,采用积分分离p i d 算式后,明显提高了控制品质。温 度标定仪的温度控制部分就是采用积分分离p i d 控制算法,达到理想的控制 效果。 ( 3 ) 带死区的p i d 控制算法 在计算机系统中,某些系统为了避免执行机构动作过于频繁而引起过度 磨损、疲劳以至于影响到使用寿命以及消除由于频繁动作所引起的振荡,有 时采用带死区的p i d 控制系统,如图2 - 1 3 所示: f i g 2 - 13d i a g r a mo fd i g i t a lp i db a s e do nd e a da n g l e 图2 1 3 带死区的p i d 控制系统框图 相应的算式为: 尸c 尼,= p 苫x : 套;二; 套要三l 三:套虿三三( 2 - 1 5 ) 在图2 1 3 中,“死区”是一个可调参数,其具体数值可根据实际控制 对象由实验室确定。值太小,使调节过于频繁,达不到稳定被调节对象的目 的;如果值取得太大,则系统将产生很大的滞后;当g = o ,即为常规的p i d 控制。 该系统实际上是一个非线形控制系统,由式( 2 - 1 5 ) 得知:当偏差绝对 t i 耋l e ( k ) l 时,p ( k ) 为o ;当i p ( 七) i 时,p ( k ) = p ( 后) ,输出值u ( k ) 以p i d 运 算结果输出。 西华大学硕士学位论文 2 3 数字p i d 控制器的参数整定 p i d 控制规律是在有确切的传递函数的情况下所应用的控制算法,若在传 递函数不易确定的情况下,最佳p i d 参数不能精确确定。所以系统运行之前, 还需进行控制器的参数整定。所谓参数整定,就是对于一个已经设计并安装 就绪的控制系统,选择合适的控制器参数k p ,正,乃,丁来改善系统的静态 和动态特性,达到系统最佳的控制效果。p i d 控制算法经过长期的发展和研究, 在理论与经验相结合的基础上已形成一些有效的模拟与数字p i d 调节器的参 数整定方法,比如扩充临界比例度法、扩充响应曲线法、凑试法等引。 2 3 1 扩充临界比例度法 扩充临界比例度法是对模拟调节器中使用的临界比例度法的扩充,因此 整定数字控制器参数的步骤如下: 1 、选择一个足够短的采样周期:即选择采样周期为被控对象纯滞后时间的 十分之一以下。 2 、用选定的采样周期使系统工作:这时数字控制器去掉积分作用和微分作 用,只保留比例作用。然后逐渐减少比例度文万= 去j ,直到系统发生持续等 幅振荡。记下使系统发生振荡的临界l l 侈, j 度坑及系统的临界振荡周期瓦。 3 、选择控制度:所谓控制度就是以模拟调节器为基准,将d d c ( d i r e c td i g i t a l c o n t r o l ,直接数字控制) 的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效 果的评价函数通常用误差平方积分 i p 2 ( f ) 出表示: 两华大学硕士学位论文 ie 2 ( ,) 衍i 控制度= 喾害鉴 ( 2 1 6 ) lf e 2 ( o a t i l o j 模拟 实际应用中并不需要计算出两个误差平方积分,控制度仅表示控制效果的物 理概念。例如,当控制度为1 0 5 时,即指d d c 与模拟控制效果相当:控制度 为2 0 时,即指d d c 比模拟控制效果差。 4 、根据选定的控制度,查表2 1 ,求得k p ,互,乃,丁的值。 表2 1 扩充临界比例度法整定参数表 t a b l e 2 1t a b l eo fp a r a m e t e r sb a s e do ne x t e n d e dc r i t i c a lp r o p o r t i o nr a t e 控制度控制规律 丁k p正 乃 1 0 5p 1 0 0 3 瓦0 5 3 坑0 8 8 瓦 p i d 0 。0 1 4 瓦0 6 3 皖 0 4 9 疋 0 1 4 瓦 1 2p 1 0 0 5 瓦0 4 9 玩0 9 1 瓦 p i d 0 0 4 3 瓦 0 4 7 6 k0 4 7 瓦0 1 6 瓦 1 5p 1 0 1 4 瓦0 4 2 反0 9 9 疋 p i d 0 0 9 瓦 0 3 4 6 k0 4 3 瓦 0 2 0 瓦 2 0p 1 0 2 2 瓦 0 3 66 k 1 0 5 瓦 p i d 0 1 6 疋 0 2 76 k 0 4 0 疋0 2 2 瓦 2 3 2 扩充响应曲线法 在模拟控制系统中,可用响应曲线法代替临界比例度法,在d d c 中也可 以用扩充响应曲线法代替扩充临界比例度法。用扩充响应曲线法整定 k 尸,互,乃,t 的步骤如下: 1 、数字控制器不接入控制系统,让系统处于手动操作状态下,将被调量调 节到给定值附近,并使之稳定下来。然后突然改变给定值,给对象一个阶跃 信号。 两华大学硕士学位论文 2 、用记录仪表记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线,如图2 - 1 4 所示。 3 、在曲线最大斜率处作切线,求得滞后时间f ,被控对象时间常数t 以及 它们的比值,查表2 2 即可得数字控制器的k 尸,乃,乃,r 。 f i g 2 14v a r i e t yc u r v eo fo u t p u tb a s e d o ns t e p s i n p u t 图2 - 1 4 被调量在阶跃输入下的变化过程曲线 表2 - 2 按扩充响应曲线整定参数表 t a b l e 2 2t a b l eo fp a r a m e t e r sb a s e do ne x t e n d e dr e s p o n s ec u r v e 控制度控制规律 丁k p乃乃 1 0 5p io 1 彳 0 8 4 瓦z o 3 4 彳 p i do 0 5 彳1 1 5z 2 - 2 0 彳0 4 5z 1 2p 10 2 f 0 7 8 疋t 3 6z p i do 1 6z1 0 f1 970 5 5z 1 5p i o 5 彳0 6 8r z 3 9 f p i d0 3 4 彳 0 8 5 疋t 1 6 27 0 6 5 彳 2 op 10 8 彳0 5 7t 2 4 2 f p i do 6 f 0 6 z z 1 570 8 2z 2 3 3 凑试法 西华大学硕士学位论文 增大比例系数k 。一般将加快系统响应,在有静差的情况下有利于减少静 差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡,破坏系统的稳 定性; 增大积分时间f 有利于减小超调,减小振荡,使系统更加稳定,但系统 静差的消除将随之减慢; 增大微分时间乃也有利于加快系统响应,使超调量减小,稳定性增加, 但系统对扰动的抑制能力减弱,对扰动有效敏感降低; 在凑试时,可参考以上参数对控制过程的影响趋势,对参数实行下述先 比例,后积分,再微分的整定步骤: 1 、首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大,并观察相应的系统响应, 直到得到反应快,超调小的响应曲线。如果没有静差或静差已小到允许的范 围内,并且响应曲线已属满意,那么只须用比例调节器即可,最优比例系数 可由此确定。 2 、如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求,则须加入积分 环节。整定时首先置积分时间r 为一较大值,并将第一步整定得到的比例系 数略为缩小( 如缩小为原值的o 8 倍) ,然后减小积分时间,使在保持系统 良好动态性能的情况下,静差得到消除。在此过程中,可根据响应曲线的好 坏反复改变比例系数与积分时间,以希望得到满意的控制过程与整定参数。 3 、若使用比例积分调节器消除了静差,但动态过程经反复调整仍不能满意, 则可加入微分环节,构成比例积分微分调节器。在整定时,可先置微分时间疋 为零。在第二步整定的基础上,增大乃,同时相应地改变比例系数和积分时 间,逐步凑试,以获得满意的调试效果和控制参数。 西华大学硕士学位论文 第三章温度标定仪的硬件电路设计 弓。1 温度标定仪的组成及总体框图 温度标定仪的硬件框图如3 - 1 所示,它主要由温度检测、温度控制、温 度加热、键盘显示等五部分组成,其中核心部分是温度检测与温度控制部分。 基于嵌入式系统温度标定仪以a r m 7 l p c 2 1 0 4 微控制器为主控芯片,在系统上 电复位后对仪器内( 温度腔) 气体温度进行检测并从硬件和软件两方面实行 误差校正及补偿,同时通过相关的数字p i d 闭环程序控制算法,使仪器内气 体温度恒定在设定值;时实温度值与由键盘输入a r m 7 l p c 2 1 0 4 微控制器的设 定值在系统运行时通过l c d 液晶显示器显示,因此该仪器具有良好的人机对 话功能;当温度异常或系统出现电子线路故障时,系统自动发出警报声并切 断电源,给检测与排查故障提供可靠保障。 f i g 3 1c o m p o s i t i o nd i a g r a mo f t e m p e r a t u r er e g u l a t o rs y s t e m 图3 - 1 温度标定仪系统组成框图 - 3 3 - 西华大学硕七学位论文 3 2 温度检测电路 3 2 1 温度传感器的选择 温度传感器又称为温度计,包括液柱式温度计、双金属片温度计、普通 金属热电偶、热电阻、热敏电阻以及红外温度计。测量高温的温度计包括贵 重金属及难熔金属热电偶、高温铂电阻、光学及辐射高温计等。应用上述温 度传感器在测量温度时其准确性直接影响到温度的控制精度,所以在测量不 同范围内的温度时对传感器的要求是不同的,而且也是十分严格的。因此温 度传感器的选择应该考虑如下的几个方面【1 3 】: l 、温度范围:这是选择传感器的主要依据。原则上在同一范围内的任何一 种温度计均可选用。 2 、使用场合:温度传感器应用在什么场合,工作环境条件如何是重要的条 件。例如氧化气氛、还原性气氛、腐蚀性介质、高频干扰等。这就要根据实 际情况决定。 3 、温度响应:主要是由传感器的质量、材质与体积决定。接触式传感器的 时间常数越小,温度响应越快。非接触式传感器的温度响应快,具有足够的 灵敏度。 4 、传输方式:是指温度传感器与显示记录仪表之间信号的传递,是就地显 示还是传送较远,为此可选用不同的传感器和系统组成。 综合考虑以上各因素、结合本设计的实际要求、温度传感器的性价比以 及维修更换方便等问题,在温度检测部分选择铂热电阻p t l 0 0 作为温度传感 器。 针对热电阻的特性,简介如下: 电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化来测量温度 的元件,因此根据这一特性热电阻式温度传感器的工作原理就是将温度的测 量转化为对电阻的测量。与热电偶相比,电阻式温度传感器具有如下特性: ( 1 ) 准确度高;( 2 ) 输出信号大,灵敏度高: ( 3 ) 测温范围广,稳定性好;( 4 ) 无需参考点; 两华大学硕士学位论文 作为电阻温度传感器在材质选择方面也有要求。一般地,要求导体具有 较大的电阻温度系数qt 以提高对温度的灵敏度,同时还要求具有较高的电阻 率p ,以便减小体积和快速响应温度变化。另外,还应该具有化学稳定性和 耐热性。常用材质热电阻参数如表3 - 1 所示。 表3 - 1 熟电阻常用材质及参数 t a b l e 3 1

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